李 亮，李鴻亮，李愛(ài)民，許開(kāi)富，段逸飛，胡 甫

（1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039； 2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100）

1 引言

超低溫軸承對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪泵轉(zhuǎn)子起支撐作用，其性能和可靠性對(duì)火箭動(dòng)力系統(tǒng)至關(guān)重要，軸承應(yīng)用的超低溫環(huán)境，導(dǎo)致了無(wú)任何有效的液體潤(rùn)滑，在工作期間還施加了超低的深冷溫度、重的瞬時(shí)載荷以及鋼球與溝道接觸產(chǎn)生的高的閃溫，盡管使用了現(xiàn)有最好的材料、制造工藝、安裝與維護(hù)技術(shù)，軸承還是暴露出套圈的燒傷、磨損、鋼球表面發(fā)烏或發(fā)烏環(huán)帶、保持架磨損等異常現(xiàn)象而失效。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)展大量超低溫軸承的研究，取得很多有益的研究成果，楊鐵濱、王黎欽等分析了超低溫重載工況下陶瓷球失效原因，對(duì)發(fā)生局部剝落的陶瓷球進(jìn)行宏觀、微觀斷口顯微分析和金相分析，得出失效的原因是陶瓷球表面存在的裂紋擴(kuò)展，文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步闡明了陶瓷球表面裂紋的擴(kuò)展方式是以表面二次裂紋的擴(kuò)展為主；Lewis研究中心研究表明PTFE是超低溫軸承中應(yīng)用最多的自潤(rùn)滑材料，該材料的低強(qiáng)度、受載后冷流動(dòng)和導(dǎo)熱性差的特性限制了PTFE在高速重載軸承中的應(yīng)用；李鴻亮、張旭等針對(duì)某渦輪泵角接觸球軸承臺(tái)架試驗(yàn)后鋼球表面出現(xiàn)環(huán)帶進(jìn)行了 分析。

在擬動(dòng)力學(xué)模型理論研究方面，HARRIS等提出了高速重載工況下預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承打滑的理論方法以及鋼球在外圈滾道上做純滾動(dòng)的外圈控制理論模型。上述主要集中在超低溫軸承的陶瓷球、保持架以及轉(zhuǎn)移固體潤(rùn)滑膜的摩擦磨損等方面的失效分析及試驗(yàn)研究，取得了成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但均未從低溫高速工況角度出發(fā)，考慮低溫軸承特有的潤(rùn)滑方式，并結(jié)合軸承設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)軸承失效機(jī)理進(jìn)行量化分析和有效改進(jìn)。

為此，本文針對(duì)某型超低溫高速軸承套圈的燒傷、磨損、鋼球表面發(fā)烏等失效問(wèn)題，進(jìn)行了失效分析，并以提高鋼球的拖動(dòng)力為約束條件，開(kāi)發(fā)低溫高速軸承性能擬動(dòng)力學(xué)仿真分析程序，對(duì)軸承失效機(jī)理進(jìn)行分析，基于獲得軸承失效的問(wèn)題定位，對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為該類軸承的極限設(shè)計(jì)提供理論支撐。

2 某型超低溫高速軸承失效分析

某型超低溫高速軸承QJS222工作在超低溫、固體潤(rùn)滑、重載等惡劣工況下，軸承采用雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸式外導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，具體工況條件及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 QJS222軸承工況條件

2.1 外觀宏觀檢查

QJS222軸承低溫臺(tái)架試驗(yàn)后照片如圖1所示，試驗(yàn)后軸承內(nèi)圈運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)帶上嚴(yán)重磨損，鋼球表面存在明顯的磨損發(fā)烏環(huán)帶運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，均有不同程度的剝落，局部燒傷。

圖1 低溫臺(tái)架試驗(yàn)后QJS222軸承套圈和鋼球外觀形貌

體視顯微檢查發(fā)現(xiàn)，一粒鋼球整個(gè)表面均分布黑色環(huán)帶，可見(jiàn)無(wú)序的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡；另外一粒鋼球局部有一條寬度約10.8 mm寬的黑色環(huán)帶，其余區(qū)域顏色光亮，將疑似缺陷進(jìn)行標(biāo)記，如圖2所示。

圖2 兩粒鋼球宏觀形貌

2.2 掃描電鏡和能譜分析

1）將圖2中兩粒鋼球經(jīng)超聲波清洗烘干后，放置在掃描電鏡中進(jìn)行觀察，由觀察可知，發(fā)黑鋼球表面1標(biāo)記處存在擦傷，缺陷尺寸為32.9μm×44.1μm。發(fā)黑鋼球表面2標(biāo)記處無(wú)明顯損傷。鋼球黑色環(huán)帶表面存在劃傷及小的剝落坑，剝落坑尺寸為155.4μm×95.1μm，且周圍有一條裂紋。

2）分別對(duì)圖2中兩粒鋼球缺陷附近進(jìn)行能譜分析，結(jié)果主要為鐵、鉻、銀及氧等元素，說(shuō)明鋼球表面已形成銀轉(zhuǎn)移膜。

2.3 硬度檢測(cè)

將圖2中兩粒鋼球分別進(jìn)行硬度檢測(cè)，采用洛氏硬度計(jì)，載荷為150 kg，位置為表面，由檢測(cè)結(jié)果可知，鋼球硬度及同一零件硬度差均符合JB/T1460—2011要求，且黑色環(huán)帶鋼球不同顏色區(qū)域的硬度值差別不大。

3 機(jī)理分析

鋼球硬度及均勻性檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明軸承質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程能夠形成轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜，掃描電鏡結(jié)果為軸承失效，表征為軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的滑動(dòng)，產(chǎn)生大量的摩擦發(fā)熱，這與軸承的接觸應(yīng)力、旋滾比以及保持架的打滑率等性能參數(shù)關(guān)聯(lián)，為此，對(duì)影響軸承性能的參數(shù)進(jìn)行分析，利用自主開(kāi)發(fā)的低溫軸承性能擬動(dòng)力學(xué)仿真分析程序，分析了轉(zhuǎn)速為16 500r/min瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)工況下QJS222軸承鋼球與內(nèi)圈和外圈的接觸應(yīng)力如圖3所示，鋼球滑差率和保持架的打滑率如圖4所示，鋼球旋滾比如圖5所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)工況鋼球與內(nèi)外圈接觸應(yīng)力

由圖3可知，鋼球與內(nèi)外圈的接觸應(yīng)力均小于 3 000 MPa，滿足許用應(yīng)力4 200 MPa的要求。

圖4中瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)工況鋼球的公轉(zhuǎn)速度滑差率在0.75與0.95之間，保持架的打滑率小于0.85（實(shí)際速度相對(duì)與理論速度的變化量），均較好的控制在5%以內(nèi)，說(shuō)明鋼球滑差率和保持架的打滑率不是引起軸承失效的主要原因，另外，圖5中鋼球的最大旋滾比為0.36，小于經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)0.4，不足以引起軸承失效。分析認(rèn)為，失效原因可能是在滾動(dòng)向上的滑動(dòng)增大，為此，仿真分析了主動(dòng)圈對(duì)每粒鋼球的拖動(dòng)力，如圖6所示，其中在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程兩粒鋼球的拖動(dòng)力小于0，從鋼球的受力分析結(jié)果可知，至少在有兩粒鋼球的位置處由于拖動(dòng)力不足，在滾動(dòng)方向上滑動(dòng)摩擦加劇，增大了摩擦發(fā)熱，從而導(dǎo)致鋼球外觀異常。綜上分析，認(rèn)為該軸承失效的主要原因是軸承的拖動(dòng)力不足，軸承性能有待提升。

圖4 穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)工況鋼球和保持架打滑率

圖5 瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)工況鋼球旋滾比

圖6 主動(dòng)圈對(duì)鋼球的拖動(dòng)力

4 改進(jìn)后軸承性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 性能分析

根據(jù)QJS222軸承機(jī)理分析及問(wèn)題定位，以低溫軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鋼球拖動(dòng)力大于0為約束條件，對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 QJS222軸承改進(jìn)后參數(shù)

運(yùn)用低溫軸承性能擬動(dòng)力學(xué)仿真分析程序，對(duì)改進(jìn)后QJS222軸承性能進(jìn)行仿真分析，其中鋼球與內(nèi)圈和外圈的接觸應(yīng)力、鋼球滑差率和保持架的打滑率以及鋼球旋滾比等均滿足設(shè)計(jì)要求。每粒鋼球的拖動(dòng)力如圖7所示，與圖6對(duì)比，改進(jìn)后QJS222軸承主動(dòng)圈對(duì)鋼球的拖動(dòng)力得到了提高，滿足了大于0的要求，減小了因鋼球在溝道上的滑動(dòng)摩擦熱，提升了軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

圖7 改進(jìn)后軸承主動(dòng)圈對(duì)鋼球的拖動(dòng)力

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用相同的試驗(yàn)裝置，如圖8所示，對(duì)改進(jìn)后QJS222軸承進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中穩(wěn)定平穩(wěn)，無(wú)異常，正常停車，對(duì)試驗(yàn)后軸承進(jìn)行分解，清洗后檢查宏觀形貌如圖9所示。

圖8 低溫高速軸承臺(tái)架試驗(yàn)示意圖

圖9 改進(jìn)后QJS222軸承試驗(yàn)后套圈和鋼球外觀形貌

由圖9可知，套圈運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)帶正常、光亮，鋼球表面光亮，軸承未出現(xiàn)磨損、發(fā)烏等失效現(xiàn)象，改進(jìn)后軸承通過(guò)了試驗(yàn)考核，說(shuō)明軸承失效機(jī)理分析合理，問(wèn)題定位準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

基于試驗(yàn)后超低溫軸承QJS222的失效分析，利用開(kāi)發(fā)的低溫高速軸承性能擬動(dòng)力學(xué)仿真分析程序，對(duì)影響試驗(yàn)軸承的接觸應(yīng)力、旋滾比、保持架及鋼球的打滑率等性能參數(shù)進(jìn)行了機(jī)理分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）QJS222軸承失效機(jī)理分析正確，問(wèn)題定位準(zhǔn)確，以提高主動(dòng)圈對(duì)鋼球拖動(dòng)力為改進(jìn)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)合理、可行；

2）針對(duì)低溫高速軸承性能的提升，國(guó)內(nèi)首次提出以主動(dòng)圈對(duì)鋼球的拖動(dòng)力為控制指標(biāo)之一，對(duì)高溫高速軸承的設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。